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How to Choose the Right Protection for Your Circuit 作者：ADI公司 Diarmúid Carey，應用工程師 問(wèn)題： 有什么有源電路保護方案可以取代TVS二極管和保險絲？ 答案： 可以試試浪涌抑制器。 摘要 所有行業(yè)的制造商都在不斷推動(dòng)提升高端性能，同時(shí)試圖在此類(lèi)創(chuàng )新與成熟可靠的解決方案之間達成平衡。設計人員面臨著(zhù)平衡設計復雜性、可靠性和成本這一困難任務(wù)。以一個(gè)電子保護子系統為例，受其特性限制，無(wú)法進(jìn)行創(chuàng )新。這些系統保護敏感且成本高昂的下游電子器件（FPGA、ASIC和微處理器），這些器件都要求保證零故障。 許多傳統的可靠保護解決方案（例如二極管、保險絲和TVS器件）能夠保持待保護狀態(tài)，但它們通常低效、體積龐大且需要維護。為了解決這些不足，有源智能保護IC應運而生，它們能夠達到傳統方法的保護要求，而且從有些方面來(lái)看，它們更加可靠。但是器件種類(lèi)繁多，所以，設計人員面臨的最困難的問(wèn)題就是選擇合適的解決方案。 為了幫助設計人員縮小選擇范圍，本文對傳統保護方法和ADI保護產(chǎn)品系列進(jìn)行比較，以展示這些產(chǎn)品和建議應用的特性。 簡(jiǎn)介 隨著(zhù)所有行業(yè)中電子器件的使用數量不斷增加，且成本高昂的FPGA和處理器的處理功能不斷擴展，人們越來(lái)越要求對這些在嚴苛環(huán)境中運行的器件提供保護。此外，還需要它們體積小巧、可靠性高，能夠快速響應過(guò)壓和過(guò)流浪涌事件。本文探討了許多應用面臨的挑戰，以及為何需要保護，比較了傳統的保護方法和更新的可替代解決方案，后者具有更高的精度、可靠性和設計靈活性。 為何考慮使用電壓和電流保護器件？ 汽車(chē)、工業(yè)、通信和航空電子系統需經(jīng)受一系列電源浪涌，例如圖1所示的這些。在這些市場(chǎng)中，許多行業(yè)規范都對瞬態(tài)事件進(jìn)行了定義。例如，ISO 7637-2和ISO 16750-2規范定義了汽車(chē)瞬態(tài)，詳細概述了預期瞬變，以及確保持續驗證這些瞬變的測試步驟。 浪涌事件的類(lèi)型和所含能量會(huì )因電子器件的使用區域而異；電路可能遭受過(guò)壓、過(guò)流、反向電壓和反向電流等情況。最后，如果要直接經(jīng)受圖1所示的這些瞬變條件，許多電路都無(wú)法維持，更不用說(shuō)獨立運行，所以設計人員必須考慮所有輸入情況，并采取可以保護電路不受電壓和電流浪涌影響的機制。 
圖1.一些更嚴格的ISO 16750-2測試的概述 設計挑戰 有很多不同原因會(huì )引發(fā)電子系統中出現瞬變電壓和電流，但有些電子環(huán)境比其他環(huán)境更容易發(fā)生瞬變事件。眾所周知，汽車(chē)、工業(yè)和通信環(huán)境中的應用會(huì )經(jīng)受有潛在危害的事件，對下游電子器件造成嚴重損壞，但浪涌事件并不只是在這些環(huán)境下發(fā)生。其他可能需要浪涌保護電路的情況包括：需要高壓或大電流電源的應用、采用熱插拔電源連接的應用，或者包含電機或可能受到雷擊感應瞬變影響的系統。高壓事件持續的時(shí)間不等，從幾微秒到幾百毫秒都有可能，所以必須采用靈活可靠的保護機制來(lái)確保下游成本高昂的電子器件的使用壽命。 例如，當交流發(fā)電機（為電池充電）與電池暫時(shí)斷開(kāi)時(shí)，會(huì )發(fā)生汽車(chē)負載突降。發(fā)生這種斷開(kāi)后，交流發(fā)電機提供的滿(mǎn)負荷充電電流會(huì )傳輸至電源軌，使電源軌電壓在數百毫秒內攀升到極高(>100 V)水平。 有多種原因可能導致通信應用發(fā)生浪涌，從熱插拔通信卡到可能受到雷電影響的戶(hù)外裝置，涉及多種應用。大型設施中使用的長(cháng)電纜也可能產(chǎn)生感應電壓尖峰。 最終，設計人員必須充分了解器件的使用環(huán)境，并滿(mǎn)足既有的規范要求，這有助于他們綜合考慮所有故障類(lèi)型以采用最佳的保護機制，使其可靠且不會(huì )產(chǎn)生干擾，但允許下游電子器件能夠在安全電壓范圍內運行，且保證最低中斷。 傳統保護電路 在需要考慮如此多種不同類(lèi)型的電子問(wèn)題的情況下，電子工程師應如何保護敏感的下游電子器件？ 傳統保護方法基于多個(gè)器件提供保護，而不是基于一個(gè)，例如，采用瞬變電壓抑制器(TVS)提供過(guò)壓保護，采用線(xiàn)路保險絲提供過(guò)流保護，采用串聯(lián)二極管提供反向電池/電源保護，以及混合使用電容和電感來(lái)過(guò)濾更低的電能尖峰。雖然離散配置可以滿(mǎn)足既定的規范要求（保護下游電路），但它實(shí)施起來(lái)很麻煩，需要進(jìn)行多次選擇來(lái)確定合適的濾波規格。
圖2.傳統保護器件 我們來(lái)仔細了解一下這些器件，弄清楚這種實(shí)施方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 TVS——瞬變電壓抑制器 這是一種相對簡(jiǎn)單的器件，可以保護下游電路不受電源上的高壓尖峰影響。它們可以分為幾種不同的類(lèi)型，具有廣泛的特性（表1按響應時(shí)間從最短到最長(cháng)的順序排列）。 表1.不同瞬變電壓抑制器件的響應時(shí)間 瞬變電壓抑制器件 響應時(shí)間 TVS二極管 ~1 ps 金屬氧化物壓敏電阻(MOV) ~1 ns 雪崩二極管/齊納二極管 <1 μs 氣體放電管(GDT) <5 μs 雖然它們的結構和特性各異，但使用方式是相似的：當電壓超過(guò)器件閾值時(shí)，分流多余的電流。TVS可以在極短時(shí)間內將輸出電壓固定在額定水平。例如，TVS二極管的響應時(shí)間可以低至皮秒，GDT的響應時(shí)間則可能有幾微秒，但可以處理更大的浪涌。 圖3顯示了用于保護下游電路的TVS二極管的簡(jiǎn)單配置。在正常工作條件下，TVS具有高阻抗，輸入電壓會(huì )直接傳輸至輸出。當輸入端出現過(guò)壓時(shí)，TVS開(kāi)始導電，并將多余的電能分流到接地(GND)，從而箝位下游負載電壓。電源軌電壓升高到典型操作值以上，但被箝位到保證下游電路可以安全運行的值。 雖然TVS器件在抑制極高電壓偏移方面很有效，但在遭受持續過(guò)壓時(shí)，也不能避免損壞，因此需要定期監測或更換。另一個(gè)擔心是TVS可能短路，導致輸入電源斷開(kāi)。此外，根據涉及的電能大小，它們的尺寸可能需要很大才能滿(mǎn)足裕量要求，導致解決方案的尺寸相應增大。即使TVS的尺寸正確，下游電路也必須要能夠處理箝位電壓，對下游的電壓額定要求也隨之增高。
圖3.用傳統的TVS解決方案保護電壓浪涌 線(xiàn)路保險絲 過(guò)流保護可以使用常見(jiàn)的線(xiàn)路保險絲實(shí)現，其熔斷額定值高于標稱(chēng)值，例如，比最大額定電流高20%（百分比取決于電路類(lèi)型以及預期的典型操作負載）。當然，保險絲最大的問(wèn)題是一旦燒斷就必須更換。保險絲設計相當簡(jiǎn)單，但維護相對復雜，特別是在難以接觸的位置，所以后期還是會(huì )耗費時(shí)間和成本。使用備用保險絲（例如可復位保險絲）可以減少維護要求，它會(huì )在高于標稱(chēng)電流的電流流經(jīng)器件時(shí)，利用正溫度系數打開(kāi)電路（電流增高之后會(huì )令溫度增高，導致電阻急劇升高）。 除維護問(wèn)題外，保險絲最大的問(wèn)題之一是其反應時(shí)間，根據所選保險絲的類(lèi)型，反應時(shí)間可能有很大差異。我們可以使用快速熔斷保險絲，但熔斷時(shí)間（打開(kāi)電路的時(shí)間）仍然可能需要幾百微秒到毫秒，所以電路設計人員必須考慮這些時(shí)間段內釋放的電能大小，保證下游電子器件不被損壞。 串聯(lián)二極管 在某些環(huán)境中，電路可能斷開(kāi)，然后重新連接——例如，在電池供電環(huán)境中。在這種情況下，電源重新連接時(shí)不能保證極性是正確的。我們可以通過(guò)在電路的正極供電線(xiàn)上增加一個(gè)串聯(lián)二極管來(lái)實(shí)現極性保護。雖然這種簡(jiǎn)單的增加可以有效防止反向極性，但串聯(lián)二極管的壓降會(huì )導致相應的功率損耗。在電流相對較低的電路中，這種取舍很小，但對于許多現代化的高電流電軌，則需要采用另一種解決方案。圖4是對圖3的更新，顯示利用TVS和增加的串聯(lián)二極管來(lái)防止出現反向極性連接。
圖4.增加串聯(lián)二極管可以防止反向極性連接，但在大電流系統中，二極管的壓降可能是一大問(wèn)題 使用電感和電容的濾波器 目前所討論的無(wú)源解決方案都是通過(guò)限制幅度，但通常只能捕捉更大的幅度，會(huì )放過(guò)更小的一些尖峰。這些較小的瞬變仍然會(huì )對下游電路造成損壞，因此需要使用額外的無(wú)源濾波器來(lái)平緩尖峰。這可以通過(guò)使用離散電感和電容來(lái)實(shí)現，通過(guò)調整它們的尺寸，讓它們衰減超出頻率范圍的電壓。在設計之前，需要對濾波器設計進(jìn)行測試和測量，確定它們的尺寸和頻率，然后才能正確確定濾波器的尺寸。這種方法的缺點(diǎn)在于，需要考慮物料成本和面積要求（元器件的板面積和成本要達到多少才能達到濾波水平），以及是否需要過(guò)度設計（確定元器件的公差，以能夠在隨時(shí)間和溫度變化時(shí)提供補償）。 使用浪涌抑制器提供有源保護 要克服所述的無(wú)源保護解決方案面臨的挑戰和存在的缺點(diǎn)，方法之一是轉為使用浪涌抑制器IC。浪涌抑制器采用易于使用的控制器IC和串聯(lián)N通道MOSFET，因此無(wú)需使用繁雜的分流電路（TVS器件、保險絲、電感和電容）。因為只需確定少數幾個(gè)元器件的尺寸和讓它們通過(guò)質(zhì)量認證，所以浪涌抑制器控制器可以極大地簡(jiǎn)化系統設計。 浪涌抑制器持續監測輸入電壓和電流。在額定工作條件下，控制器驅動(dòng)N通道MOSFET通路器件的柵極完全開(kāi)啟，提供一條從輸入到輸出的低阻抗路徑。在發(fā)生過(guò)壓或浪涌時(shí)（閾值由輸出端的反饋網(wǎng)絡(luò )給出），IC調節N通道MOSFET的柵極，將MOSFET的輸出電壓箝位到電阻分壓器設定的電平。 圖5顯示了浪涌抑制器配置的簡(jiǎn)化示意圖，以及標稱(chēng)12 V電源軌上出現100 V輸入浪涌時(shí)的結果。在浪涌發(fā)生期間，浪涌抑制器電路的輸出被箝位到27 V。一些浪涌抑制器也使用串聯(lián)感應電阻（圖5中的斷路器）來(lái)監測過(guò)流情況，并調整N通道MOSFET的柵極，以限制輸出負載端的電流。
圖5.浪涌抑制器配置的詳細示意圖 根據對過(guò)壓事件的響應，可以將浪涌抑制器分為四大類(lèi)： ► 線(xiàn)性浪涌抑制器 ► 柵極箝位 ► 開(kāi)關(guān)浪涌抑制器 ► 輸出斷開(kāi)保護控制器 浪涌抑制器應基于應用進(jìn)行選擇，所以，我們來(lái)比較一下它們的操作和優(yōu)點(diǎn)。 浪涌抑制器類(lèi)型：線(xiàn)性 線(xiàn)性浪涌抑制器驅動(dòng)串聯(lián)MOSFET的方式和線(xiàn)性穩壓器比較類(lèi)似，是將輸出電壓限制在預先設置的安全值，并耗散MOSFET中的多余能量。為了保護MOSFET，該器件通過(guò)采用電容故障定時(shí)器來(lái)限制在高耗散區花費的時(shí)間。
圖6.LT4363線(xiàn)性浪涌抑制器 浪涌抑制器類(lèi)型：柵極箝位 柵極箝位浪涌抑制器利用內部或外部箝位（例如，31.5 V或50 V內部箝位，或可調的外部箝位）將柵極引腳的電壓限制到這個(gè)電壓值，然后，由MOSFET的閾值電壓決定輸出電壓限值。例如，在使用內部31.5 V柵極箝位，且MOSFET閾值電壓為5 V時(shí)，輸出電壓限制為26.5 V�；蛘�，外部柵極箝位允許更廣泛的電壓選擇范圍。柵極箝位浪涌抑制器的示例如圖7所示。
圖7.LTC4380柵極箝位浪涌抑制器。 浪涌抑制器類(lèi)型：開(kāi)關(guān) 對于更高功率的應用，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器是一個(gè)很好的選擇。與線(xiàn)性和柵極箝位浪涌抑制器一樣，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器在正常操作條件下可以充分增強調整FET，以在輸入和輸出之間提供一個(gè)低阻路徑（最小化功率損耗）。開(kāi)關(guān)浪涌抑制器和線(xiàn)性或柵極箝位浪涌抑制器之間的主要區別出現在檢測到浪涌事件時(shí)。在浪涌事件中，開(kāi)關(guān)浪涌抑制器是通過(guò)開(kāi)關(guān)外部MOSFET（比較類(lèi)似于開(kāi)關(guān)DC-DC轉換器），將輸出調節到箝位電壓。
圖8.LTC7860開(kāi)關(guān)浪涌抑制器 保護控制器：輸出斷開(kāi) 保護控制器不是真正的浪涌抑制器，但它確實(shí)能停止浪涌。和浪涌抑制器一樣，保護控制器監測過(guò)壓和過(guò)流條件，但它不會(huì )箝位或調節輸出，而是通過(guò)立即斷開(kāi)輸出來(lái)保護下游電子器件。這種簡(jiǎn)單保護電路的布局緊湊，非常適合由電池供電的便攜式應用。LTC4368保護控制器的簡(jiǎn)化示意圖，以及它對過(guò)壓事件的響應如圖9所示。保護控制器有許多版本。
圖9.LTC4368保護控制器 保護控制器會(huì )監測輸入電壓，確保電壓保持在OV/UV引腳的電阻分壓器所配置的電壓范圍內，當輸入電壓超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，利用背對背MOSFET斷開(kāi)輸出，如圖9所示。背對背MOSFET也可用于防止反向輸入。輸出端的感應電阻通過(guò)持續監測正向電流來(lái)實(shí)現過(guò)流保護，但不需要基于計時(shí)器的穿越操作。 浪涌抑制器特性 為了給您的應用選擇最合適的浪涌抑制器，您需要知道有哪些可用特性，以及它們可以幫助解決哪些挑戰。您可以在參數表中查找這些器件。 斷開(kāi)與穿越 一些應用要求在檢測到浪涌事件時(shí)斷開(kāi)輸出和輸入的連接。在這種情況下，需要斷開(kāi)過(guò)壓連接。如果您需要輸出在浪涌事件發(fā)生時(shí)保持正常運行，從而最大限度減少下游電子設備的停機時(shí)間，則需要浪涌抑制器在發(fā)生浪涌時(shí)進(jìn)行穿越。在這種情況下，使用線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)浪涌抑制器可以實(shí)現這一功能（前提是，對于拓撲和所選的FET，功率電平是合理的）。 故障定時(shí)器 實(shí)施穿越時(shí)，需要對MOSFET提供保護，以防它受到持續浪涌影響。為了確保留在FET的安全工作區(SOA)內，可以使用定時(shí)器。定時(shí)器本質(zhì)上是一個(gè)接地電容。發(fā)生過(guò)壓時(shí)，內部電流源開(kāi)始為這個(gè)外部電容充電。電容達到一定的閾值電壓時(shí)，數字故障引腳拉低，表明受時(shí)間延長(cháng)的過(guò)壓影響，調整管將很快關(guān)閉。如果定時(shí)器引腳電壓繼續上升到二級閾值，柵極引腳將拉低，以關(guān)閉MOSFET。 定時(shí)器電壓的變化率隨通過(guò)MOSFET的電壓而變化，也就是說(shuō)，電壓越大，時(shí)間越短，電壓越小，時(shí)間越長(cháng)。這個(gè)有用特性使器件能夠平穩度過(guò)短時(shí)過(guò)壓事件，允許下游元器件保持運行，同時(shí)保護MOSFET不因持續時(shí)間更長(cháng)的過(guò)壓事件出現損壞。有些器件具有重試功能，使器件能在冷卻之后再次打開(kāi)輸出。 過(guò)流保護 許多浪涌抑制器都能夠監測電流和保護器件不受過(guò)流事件影響。這是通過(guò)監測串聯(lián)感應電阻上的壓降并作出適當響應來(lái)實(shí)現的。也可以通過(guò)監測和控制浪涌電流來(lái)保護MOSFET。其響應可能與過(guò)壓情況類(lèi)似，這是因為如果電路能夠接受這種功率電平，那么它要么通過(guò)閂鎖斷開(kāi)，要么通過(guò)穿越事件來(lái)斷開(kāi)。 反向輸入保護 浪涌抑制器具有廣泛的操作能力（能夠承受某些器件上高達60 V的地下電壓），所以能夠提供反向輸入保護。圖10顯示了提供反向電流保護的背對背MOSFET配置。在正常運行期間，Q2和Q1由柵極引腳開(kāi)啟，Q3不產(chǎn)生任何影響。但是，出現反向電壓連接時(shí)，Q3開(kāi)啟，將Q2的柵極下拉至負輸入并隔離Q1，以保護輸出。 也可以通過(guò)可靠的器件引腳保護來(lái)實(shí)現反向輸出電壓保護，根據所選的器件，可以承受高達20 V的接地電壓。
圖10.LT4363反向輸入保護電路 對于需要寬輸入電壓范圍的應用，可以使用浮動(dòng)拓撲浪涌抑制器。發(fā)生浪涌事件時(shí)，浪涌抑制器IC會(huì )監控整個(gè)浪涌電壓，由內部晶體管技術(shù)限制IC的電壓范圍。使用浮動(dòng)浪涌抑制器（例如LTC4366）時(shí)，IC浮動(dòng)剛好低于輸出電壓，為其提供更廣泛的工作電壓范圍。電源回流線(xiàn)中包含一個(gè)電阻(VSS)，允許IC隨電源電壓浮動(dòng)。如此，由外部元器件和MOSFET的電壓功能設置輸入電壓限值。圖11顯示的應用電路可以在保護后端負載時(shí)，使用極高的直流電源正常運行。
圖11.LTC4366高壓浮動(dòng)拓撲 為我的應用選擇正確的器件 由于浪涌抑制器本身采用可靠設計，所以能從很多方面簡(jiǎn)化保護電路的設計。數據手冊已顯示許多可能的應用，在確定元器件尺寸時(shí)，能夠提供很大幫助。最困難的部分可能是選擇最合適的器件。您可以遵循以下幾個(gè)步驟來(lái)縮小范圍： ► 訪(fǎng)問(wèn)ADI的保護器件系列參數表。 ► 選擇輸入電壓范圍。 ► 選擇通道數量。 ► 篩選功能，縮小可行選項的范圍。 和所有產(chǎn)品選型一樣，在查找正確的器件前，您需要了解您的系統要求，這點(diǎn)非常重要。一些重要的考慮因素包括：預期的電源電壓和下游電子器件的電壓容限（在決定箝位電壓時(shí)非常重要），以及對設計而言非常重要的一些特性。 以下是一些經(jīng)過(guò)篩選的參數表示例，供大家參考。大家可以訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站，在網(wǎng)站上進(jìn)一步更改這些參數表，可以添加一些其他參數。 ► 高壓浪涌抑制器器件請參見(jiàn)這里。 ► 具有過(guò)壓斷開(kāi)功能的保護控制器請參見(jiàn)這里。 結論 無(wú)論采用哪種類(lèi)型的浪涌抑制器，基于IC的有源浪涌抑制器設計都無(wú)需使用繁雜的TVS二極管，或使用大尺寸電感和電容來(lái)進(jìn)行濾波。所以，解決方案的整體面積更小，體積也更小巧。相比TVS，其輸出電壓箝位精度可能高出1%至2%。如此可以防止過(guò)度設計，且能夠選擇公差更嚴格的下游器件。 ADI提供的系統保護器件系列讓設計人員能夠采用可靠、靈活且小巧的解決方案為下游器件提供保護，尤其是對于工業(yè)、汽車(chē)、航空航天和通信設計中可能面臨嚴苛的過(guò)壓和過(guò)流事件的器件。 參考資料 “AN-9768：瞬變抑制器件和原則�！盠ittelfuse，1998年1月。 “Fuseology�！背擞密�(chē)解決方案目錄，Littelfuse，2014年。 Jim Kalb�！翱側蹟鄷r(shí)間”技術(shù)簡(jiǎn)報，OptiFuse，2010年1月。 David Megaw�！盀�汽車(chē)電子系統提供供電和保護，無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲，效率高達99.9%�！蹦M對話(huà)，第54卷第1期，2020年2月。 Wu Bin、Zhongming Ye�！坝糜趷毫悠�(chē)環(huán)境的全面電源系統設計占用空間極小，可節約電池電量且具有低EMI特性�！蹦M對話(huà)，第53卷第3期，2019年8月。 作者簡(jiǎn)介 Diarmúid Carey是歐洲中央應用中心的應用工程師，工作地點(diǎn)在愛(ài)爾蘭利默里克。他自2008年以來(lái)一直擔任應用工程師，并于2017年加入ADI公司，為歐洲的眾多市場(chǎng)客戶(hù)提供Power by Linear產(chǎn)品組合的設計支持。他擁有利默里克大學(xué)計算機工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：diarmuid.carey@analog.com。 |
